Piccole strutture micro e nanometriche all'interno della superficie di un materiale sono invisibili a occhio nudo, ma giocano un ruolo importante nel determinare la fisica di un materiale, chimico, e proprietà biomediche.

Negli ultimi anni, Chunlei Guo e il suo team di ricerca presso l'Università di Rochester hanno trovato il modo di manipolare quelle strutture irradiando impulsi laser sulla superficie di un materiale. Hanno alterato i materiali per farli respingere l'acqua, attirare l'acqua, e assorbono grandi quantità di luce, il tutto senza alcun tipo di rivestimento.

Ora, Guo, Anatoliy Vorobyev, e Ranran Fang, ricercatori dell'Istituto di Ottica dell'Università, hanno avanzato la ricerca un altro passo avanti. Hanno sviluppato una tecnica per visualizzare, per la prima volta, la completa evoluzione della formazione strutturale su micro e nanoscala sulla superficie di un materiale, sia durante che dopo l'applicazione di un impulso laser.

"Dopo aver stabilito che potevamo alterare drasticamente la proprietà di un materiale creando minuscole strutture sulla sua superficie, il passo naturale successivo è stato capire come si sono formate queste minuscole strutture, " dice Guo. "Questo è molto importante perché dopo aver capito come si sono formati puoi controllarli meglio."

Avere quel controllo aprirà la strada a miglioramenti in tutti i tipi di tecnologie, compresi i materiali da costruzione anticorrosivi, assorbitori di energia, celle a combustibile, telescopi spaziali, sbrinamento aereo, strumentazione medica, e servizi igienico-sanitari nei paesi del terzo mondo.

In un articolo pubblicato sulla rivista Nature Luce:scienza e applicazioni , il gruppo ha introdotto una tecnica di imaging a luce diffusa che consente loro di registrare un filmato ultraveloce dei modi in cui la radiazione laser altera la superficie di un materiale. La tecnica apre una finestra sull'intero processo, dal momento in cui un laser colpisce il materiale fino alla fusione, fluttuazioni transitorie della superficie, e risolidificazione con conseguente micro e nanostrutture permanenti.

Attualmente ci vuole circa un'ora per modellare un campione di metallo da un pollice per un pollice. L'identificazione del modo in cui si formano micro e nanostrutture ha il potenziale per consentire agli scienziati di semplificare la creazione di queste strutture, incluso l'aumento della velocità e dell'efficienza delle superfici modellate.

La creazione e l'alterazione di queste piccole strutture rende le proprietà intrinsecamente parte del materiale e riduce la necessità di rivestimenti chimici temporanei.

Per produrre questi effetti, i ricercatori usano un laser a femtosecondi. Questo laser produce un impulso ultraveloce con una durata di decine di femtosecondi. (Un femtosecondo è uguale a un quadrilionesimo di secondo.)

La modifica delle condizioni del laser provoca cambiamenti nelle caratteristiche morfologiche delle strutture superficiali, come la loro geometria, dimensione, e densità, portando il materiale a esibire varie proprietà fisiche specifiche.

È difficile ottenere immagini e filmati dettagliati di eventi in micro e nanoscala perché si verificano nel giro di pochi femtosecondi, picosecondi (un trilionesimo di secondo), e nanosecondi (un miliardesimo di secondo).

Per mettere questo in prospettiva:Vorobyev spiega che impiega circa un secondo perché la luce viaggi dalla Terra alla luna. Però, la luce viaggia solo per circa un piede in un nanosecondo e circa 0,3 micrometri in un femtosecondo, che è una distanza paragonabile al diametro di un virus o di un batterio.

Una tipica videocamera registra una serie di immagini a una velocità da cinque a 30 fotogrammi al secondo. Quando si riproduce la serie di immagini in tempo reale, gli occhi umani percepiscono un movimento continuo piuttosto che una serie di fotogrammi separati.

Quindi, come ha fatto il team di Guo a registrare i fotogrammi a un intervallo di femtosecondi, picosecondi, e nanosecondi? Hanno usato una tecnica che coinvolge la luce diffusa. Durante un impulso laser a femtosecondi, il fascio è diviso in due:un fascio di pompa è mirato al bersaglio materiale per causare cambiamenti micro e nanostrutturali, e il secondo raggio della sonda funge da flash per illuminare il processo e registrarlo in una telecamera CCD, un dispositivo di imaging altamente sensibile con capacità ad alta risoluzione.

"Abbiamo lavorato molto duramente per sviluppare questa nuova tecnica, " dice Guo. "Con la luce diffusa che pulsa a intervalli di tempo di femtosecondi, possiamo catturare i cambiamenti molto piccoli a una velocità estremamente elevata. Da queste immagini possiamo vedere chiaramente come iniziano a formarsi le strutture".

Guo spiega che questa tecnica di visualizzazione della luce diffusa ha applicazioni per catturare qualsiasi processo che si svolge su scala ridotta. "La tecnica che abbiamo sviluppato non si limita necessariamente allo studio degli effetti superficiali prodotti nel mio laboratorio. Le fondamenta che abbiamo posto in questo lavoro sono molto importanti per studiare i cambiamenti ultraveloci e minuscoli su una superficie materiale". Ciò include lo studio della fusione, cristallografia, fluidodinamica, e anche le attività cellulari.